DE10227850A1 - Circuit element, useful as memory, comprises a monomolecular layer of redox-active bis-pyridinium molecules situated between conductive layers - Google Patents

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Abstract

A circuit element comprises a monomolecular layer of redox-active bis-pyridinium molecules situated between the first and second conductive layers, whereby the bis-pyridinium molecules of the monomolecular layer are immobilized on the electrically conductive layer as at least one discrete region. A circuit element (I) comprises a first layer of an electrically insulating substrate material with a first electrically conductive material comprising at least one discrete region that is embedded into or applied onto the substrate; a second layer with a second electrically conductive material and a monomolecular layer of redox-active bis-pyridinium molecules situated between the first and second layers, whereby the bis-pyridinium molecules of the monomolecular layer are immobilized on the electrically conductive layer as at least one discrete region and are in electrical contact with the second electrical material of the second layer and electrically inert molecules are immobilized on the first layer to form a matrix that surrounds at least one discrete region of the monomolecular layer of bispyridinium molecules. Independent claims are included for: (1) a process for the production of a circuit element (I) by application and/or embedding of a first electrically conductive material to at least one discrete position on/in the substrate material; immobilization of a monomolecular layer of redox-active bispyridinium molecules onto at least one discrete region of the first electrically conductive material; immobilization of electrically inert molecules onto the first layer of electrically insulating material that surround at least one region with the monomolecular layer of bis-pyridinium molecules; application of a second layer with a second electrically conductive material onto the layer of the electrically inert molecules and the bis-pyridinium molecules, whereby the bispyridinium molecules of the monomolecular layer are in contact with the second electrically material of the second layer; (2) bispyridinium compounds of formula (1) with the exclusion of N,N'-dimethyl-4,6,9,10-tetrahydro-2,7-diazapyreniumdiiodide; 1,1',2,2'-tetramethyl-4,4'-bispyridinium; 1,1',2-trimethyl-4,4'-bispyridinium; N,N'-dimethyl-2,7-diazapyrenium; N-methyl-N'-(p-toloyl)-2,7-diazapyrenium, 1,1'-dimethyl-2-phenyl-6-(p-toloyl)-4,4'-bispyridium diperchlorate; 1,1'-dimethyl-2-phenyl-4,4'-bispyridium diperchlorate; 6-(phenyl)-1,1',2-trimethyl-4,4'-bispyridium diperchlorate; 6-(phenyl)-1,1',2-trimethyl-4,4'-bispyridium diperchlorate or 1,1'-dimethyl-2-phenyl-6-(2,5-dichloro-3-thienyl)-4,4'-bispyridiumdiperchlorate. (1) Xa, XbS, N or O; Ra, Rbalkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl, halogen, CN, OCN, COOH, COOR1>, CONHR1>, NO2, OH, OR1>, NH2, NHR1>, NR'R, SH or SR1>; R'R : alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl or alkinyl or Ra and Rb together form a bridge between the two aromatic ring systems comprising 1-3 atoms of C, S, N or O bonded by single, double or triple bonds and optionally substituted by Re; RcR a and Rb; Y : CH2, O, S, NH, NR1>, COO, CONH, CHCH, CC or aryl; Aa, ZbCH3, -CHCH2, SH, -SS-, SiCl3, Si(OR)3, SiR(OR')(OR), SiR(OR')2, Si(R'R)NH2, Si(R'2)NH2, COOH, SO3, PO3H or NH2; n, q : 0-12; j, k : 0-6; p., m : 0-12.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungselement mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch isolierenden Substratmaterial, Verfahren zur Herstellung eines Schaltungselements, Bispyridinium-Verbindungen sowie deren Verwendung in Schaltungselementen.The invention relates to a circuit element with a first layer of an electrically insulating substrate material, Method of manufacturing a circuit element, bispyridinium compounds and their use in circuit elements.

Die herkömmliche auf Silizium-Komponenten wie beispielsweise CMOS-Chips (CMOS: complementary metal-oxide-semiconductor), basierende Mikroelektronik, wird auch bei weiter fortschreitender Miniaturisierung an ihre Grenzen kommen. Als einer der möglichen Wege zur weiteren Verkleinerung von Bauelementen wird die Molekularelektronik diskutiert.The conventional one on silicon components such as CMOS chips (CMOS: complementary metal-oxide-semiconductor), based microelectronics, is also becoming more progressive Miniaturization reaching its limits. As one of the possible Molecular electronics is becoming a way of further downsizing components discussed.

Neben der allgemeinen Problemstellung, Schaltungselemente mit Hilfe der Molekularelektronik zu entwickeln, ist ein weiterer in diesem Zusammenhang betrachteter Aspekt, die Entwicklung von Alternativen zu den bisherigen Halbleiter-Speicherelemente wie DRAMs (Dynamische Schreib-Lese-Speicher), SRAMs (Statische Schreib-Lese-Speicher) oder Flash-Speichern.In addition to the general problem, To develop circuit elements with the help of molecular electronics, is another aspect considered in this context, the Development of alternatives to the previous semiconductor memory elements such as DRAMs (dynamic random access memories), SRAMs (static random access memories) or flash memory.

Aus [1] ist bekannt, das mit Hilfe von monomolekularen auf Rotaxanen basierenden Schichten konfigurierbare Schaltungselemente erhalten werden können, die zur Konstruktion von Logikgattern eingesetzt werden können. Grundlage hierfür ist, dass die monomolekularen Schichten der Rotaxane von einem leitfähigen in einen weniger leitfähigen durch Anlegen einer Spannung gebracht, d.h. „geschaltet", werden können. Allerdings ist dieser aus [1] bekannte Schaltvorgang irreversibel und somit für eine Write once/ mulitple Read Anwendung geeignet.From [1] it is known that with the help configurable from monomolecular layers based on rotaxanes Circuit elements can be obtained for construction of logic gates can be used. The basis for this is that the monomolecular layers of rotaxanes from a conductive in a less conductive brought by applying a voltage, i.e. Can be "switched". However this switching process known from [1] is irreversible and thus for one Write once / mulitple read application suitable.

Aus [2] ist bekannt, dass mit Hilfe einer weiteren speziellen Molekülklasse, den sogenannten Catenanen, ein reversibler Schaltvorgang erreicht werden kann. Allerdings werden bei diesem Schaltvorgang deutlich geringe Signale beobachtet.From [2] it is known that with the help another special class of molecules, the so-called catenanes, a reversible switching process can be. However, this switching process will be significantly smaller Signals observed.

Die beiden aus [1) und [2] bekannten Schaltungselemente weisen jedoch noch weitere Nachteile für eine breite praktische Anwendung auf. Zum einen sind Rotaxane und Catenane nur durch aufwändige Synthesen erhältlich. Zum anderen werden bei beiden Schaltungselementen zur Erzeugung der monomolekularen Schichten Langmuir-Blodgett-Verfahren angewendet. Darüber hinaus ist die Eignung dieser Langmuir-Blodgett-Verfahren für die Beschichtung von Oberflächen von Bauelementen wie Siliziumwafer, die üblicherweise zur Herstellung elektrischer Bauelemente dienen, noch ungewiss.The two known from [1) and [2] Circuit elements, however, have other disadvantages for a wide range practical application. For one, rotaxanes and catenanes are only through elaborate Syntheses available. On the other hand, both circuit elements are used for generation of the monomolecular layers Langmuir-Blodgett method applied. About that In addition, the suitability of these Langmuir-Blodgett processes for coating surfaces of Components such as silicon wafers that are commonly used in manufacturing serve electrical components, still uncertain.

Neben den eben diskutierten Ansätzen zur Entwicklung von Schaltungselementen auf Basis von organischen Molekülschichten ist aus [3] bekannt, dass sich durch die spezielle Kombination eines Moleküls mit einer Bispyridinium-Einheit und einem Nanoteilchen (Metall-Cluster) aus Gold ein elektrischer Schalter verwirklichen lässt. Da die Nanotechnologie sich noch in den Anfängen befindet, ist fraglich, ob dieses System in absehbarer Zeit für eine praktische Anwendung eingesetzt werden kann.In addition to the approaches to Development of circuit elements based on organic molecular layers is known from [3] that the special combination of a molecule with a bispyridinium unit and a nanoparticle (metal cluster) made of gold is an electrical one Switch can be realized. Since nanotechnology is still in its infancy, it is questionable whether this system in the foreseeable future for practical use can be used.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, alternative elektrische Schaltungselemente sowie Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.The invention is based on the problem alternative electrical circuit elements and methods for their To provide manufacturing.

Das Problem wird durch das Schaltungselement sowie das Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.The problem is caused by the circuit element as well as the method with the features according to the independent claims.

Ein solches Schaltungselement ist ein Schaltungselement mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch isolierenden Substratmaterial und mit einem ersten elektrisch leitfähigen Material. Dieses erste elektrisch leitfähige Material ist als mindestens ein diskreter Bereich dergestalt ausgebildet, das er in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht ist.Such a circuit element is a circuit element with a first layer of an electrical insulating substrate material and with a first electrically conductive material. This first electrically conductive Material is designed as at least one discrete area, that it is embedded in the substrate material and / or on the substrate material is applied.

Das Schaltungselement weist weiterhin eine zweite Schicht mit einem zweiten elektrisch leitfähigen Material auf und eine monomolekularen Schicht aus redox-aktiven Bispyridinium-Molekülen, die zwischen der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial und der zweiten Schicht mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material angeordnet ist. Dabei sind die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht auf dem elektrisch leitfähigen als mindestens ein diskreter Bereich ausgebildeten Material immobilisiert. Dabei stehen die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht ferner mit dem zweiten elektrischen Material der zweiten Schicht in elektrischen Kontakt.The circuit element also has a second layer with a second electrically conductive material on and a monomolecular layer of redox-active bispyridinium molecules that between the first layer of the electrically insulating substrate material and the second layer with the second electrically conductive material is arranged. The bispyridinium molecules are the monomolecular ones Layer on the electrically conductive immobilized as at least one discrete area formed material. The bispyridinium molecules are in the monomolecular layer further with the second electrical material of the second layer in electrical contact.

Ferner sind bei dem Schaltungselement auf der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial elektrisch inerte Moleküle immobilisiert, die eine Matrix ausbilden, die den mindestens einen diskreten Bereich mit den monomolekularen Schicht aus Bispyridinium-Molekülen umgibt.Furthermore, the circuit element on the first layer of the electrically insulating substrate material electrically inert molecules immobilized, which form a matrix, the at least one discrete area with the monomolecular layer of bispyridinium molecules surrounds.

Unter einem redox-aktiven Bispyridinium-Molekül oder eine redox-aktiven Bispyridinium-Verbindung wird hier eine chemische Verbindung verstanden, die reversibel Elektronen aufnehmen und abgegeben kann, d.h. chemisch gesprochen, ihren Oxidationszustand durch Reduktion und Oxidation ändern kann, und wobei eine Bispyridinium-Einheit (vgl. 1, 2) als der Elektronenakzeptor bzw. Elektronendonator dient. Bei diesem Redox-Vorgang der Bispyridinium-Einheit oder -Gruppe, die auch unter der Abkürzung „bipy" bekannt, liegt diese entweder als zweifach positiv geladenes Kation oder nach Elektronenaufnahme als einfach positiv geladenes Radikalkation vor. Dieser Redoxvorgang lässt sich durch die Reaktionsgleichung bipy2+ + e ↔ bipy+ beschreiben.A redox-active bispyridinium molecule or a redox-active bispyridinium compound is understood here to mean a chemical compound which can reversibly accept and release electrons, ie, chemically speaking, can change their oxidation state by reduction and oxidation, and a bispyridinium unit (see. 1 . 2 ) serves as the electron acceptor or electron donor. In this redox process of the bispyridinium unit or group, which is also known under the abbreviation "bipy", this is either present as a double positively charged cation or after electron uptake as a single positively charged radical cation. This redox process can be carried out using the reaction equation bipy 2 + + e - ↔ bipy + describe.

Generell lässt sich in einem hier beschriebenen Schaltungselement als funktionelle Einheit jede Verbindung mit einer oder mehreren Bispyridinium-Einheiten einsetzen, die die beiden oben beschriebenen Oxidationszustände reversibel durchlaufen kann.In general, any Ver can be used as a functional unit in a circuit element described here use bond with one or more bispyridinium units, which can reverse the two oxidation states described above.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Bispyridinium-Moleküle Verbindungen der allgemeinen Formel (I)

Figure 00040001
wobei in Formel (I)
eines oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden aromatischen Ringssysteme der Bispyridinium-Einheit unabhängig voneinander durch (mindestens) eine Gruppierung Xa bzw. Xb ersetzt sein kann, die jeweils für ein Heteroatom steht, das aus S, N und O ausgewählt wird, oder für eine Leerstelle steht (d.h. wodurch ein 5-Ring erzeugt wird)
eines oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden Ringssysteme jeweils unabhängig voneinander einen Substituenten Ra bzw. Rb aufweisen kann, der jeweils unabhängig für Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl, Alkinyl, Halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR', CONHR', NO2, OH, OR', NH2, NHR', NR'R'', SH und SR' steht, wobei R' und R'' unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, oder
wobei Ra und Rb zusammen eine Verbrückung zwischen den beiden aromatischen Ringsystemen bilden kann, die 1 bis 3 Atome umfasst, wobei die Atome unabhängig voneinander aus C, S, N und O ausgewählt werden und durch eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung miteinander verknüpft sein können und ferner einen Substituenten Rc aufweisen können, wobei der Substituent Rc die für Ra und Rb oben angegebene Bedeutung hat,
Y für eine Gruppe steht, die unabhängig voneinander aus CH2, O, S, NH, NR', COO, CONH, CH=CH, C=C oder Aryl ausgewählt werden kann,
Za und Zb unabhängig voneinander jeweils CH3, -CH=CH2, SH, -S-S-, -S(CO)-CH3, SiCl3, Si(OR)3, SiR(OR')(OR''), SiR(OR')2, Si(R'R'')NH2, COOH, SO3, PO3H, oder NH2 sein kann, wobei R' und R" jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Arylalkyl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann,
wobei n, q jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können,
j und k jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 6 annehmen können,
p und m jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können.In a preferred embodiment, these bispyridinium molecules are compounds of the general formula (I)
Figure 00040001
where in formula (I)
one or more of the carbon atoms of the two aromatic ring systems of the bispyridinium unit can be replaced independently of one another by (at least) one group X a or X b , each of which represents a hetero atom selected from S, N and O, or for there is an empty space (ie creating a 5-ring)
one or more of the carbon atoms of the two ring systems can each independently have a substituent R a or R b , each of which is independently for alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl, alkynyl, halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR ', CONHR ', NO 2 , OH, OR', NH 2 , NHR ', NR'R'', SH and SR', where R 'and R''can independently be alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl or alkynyl, or
where R a and R b together can form a bridge between the two aromatic ring systems, which comprises 1 to 3 atoms, the atoms being selected independently of one another from C, S, N and O and by a single, double or triple bond with one another may be linked and may also have a substituent R c , where the substituent R c has the meaning given above for R a and R b ,
Y represents a group which can be selected independently of one another from CH 2 , O, S, NH, NR ', COO, CONH, CH = CH, C = C or aryl,
Z a and Z b independently of one another each CH 3 , -CH = CH 2 , SH, -SS-, -S (CO) -CH 3 , SiCl 3 , Si (OR) 3 , SiR (OR ') (OR'' ), SiR (OR ') 2 , Si (R'R'') NH 2 , COOH, SO 3 , PO 3 H, or NH 2 , where R' and R "are each independently alkyl, aryl, arylalkyl, Can be alkenyl or alkynyl,
where n, q can independently assume a value between 0 and 12,
j and k can each independently have a value between 0 and 6,
p and m can each independently assume a value between 0 and 12.

Dabei sind Verbindungen bevorzugt, bei denen die am Stickstoffatom des jeweiligen Ringes gebundene Kette jeweils nicht mehr als insgesamt als 20 Atome aufweist. Dabei sind wiederum Verbindungen bevorzugt, bei denen insgesamt beide Ketten zusammen eine Gesamtlänge von mehr als 30 Atomen aufweisen. Mit Hilfe der Indices ausgedrückt, bedeutet dies, dass (j·q + p) bzw. (k·n + m) vorzugsweise jeweils unabhängig voneinander einen Wert (ganze Zahl) nicht größer als 20 annehmen sind. Die Summe aus (j·q + p) + (k·n + m) ist dabei vorzugsweise somit nicht größer als 30. Der Klarheit halber sei hier betont, dass die Gruppe Z nicht bei dieser Betrachtung der Kettenlänge der beiden an den N-Atomen gebunden Substituenten berücksichtigt ist (vgl. die weiter unten folgenden detaillierte Definition von Z).Connections are preferred in which the bonded to the nitrogen atom of the respective ring Chain has no more than 20 atoms in total. there Again, compounds are preferred in which both are combined Chains together a total length of more than 30 atoms. Expressed using the indices means this that (j · q + p) or (k · n + m) preferably each independently a value (integer) not greater than 20 are assumed. The sum of (jq + p) + (kn + m) is preferably not larger than 30. For the sake of clarity it should be emphasized here that group Z is not considered in this way the chain length of the two substituents attached to the N atoms is taken into account (see the detailed definition of Z below).

Da die hier verwendeten Bispyridinium-Verbindungen generell in kationischer Form vorliegen, werden die Bispyridinium-Verbindungen in Form ihrer geeigneten Salze eingesetzt. Als Gegen-Ion eignen sich z.B. das Hydroxid-Anion (OH), die Anionen der Halogenide, insbesondere Br und Cl, Anionen organischer Säuren wie Acetat oder komplexe Anionen wie das PF6 -Anion, oder andere komplexe Anionen wie die Anionen starker Säuren wie NO3 , ClO4 , oder SO4 2–. Weitere Beispiele für geeignete Anionen sind komplexe Anionen wie BF4 , CF3SO3 (Triflat), B(Ph)4 oder komplexe Metall-Anionen wie [PtC14]2–.Since the bispyridinium compounds used here are generally in cationic form, the bispyridinium compounds are used in the form of their suitable salts. Suitable counter-ions are, for example, the hydroxide anion (OH - ), the anions of the halides, in particular Br - and Cl - , anions of organic acids such as acetate or complex anions such as the PF 6 - anion, or other complex anions such as that Anions of strong acids such as NO 3 - , ClO 4 - , or SO 4 2– . Further examples of suitable anions are complex anions such as BF 4 - , CF 3 SO 3 - (triflate), B (Ph) 4 - or complex metal anions such as [PtC1 4 ] 2– .

Alkylgruppen können den hier beschriebenen Verbindungen von Formel (I) oder (II) geradkettig oder verzweigt, substituiert oder unsubstituiert sein. Dies trifft auch zu, wenn sie in anderen Gruppen vorkommen, z.B. in Alkoxy, Alkylmercapto, Alkoxycarbonylgruppen. Bevorzugt sind Alkylgruppen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen und besonders bevorzugt sind Alkylgruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere in den Verbindungen gemäß Formel (I). Der Begriff Alkyl umfasst ferner Cycloalkylgruppen mit 3 bis 8 Ringkohlenstoffatomen, die ebenfalls substituiert oder unsubstituiert sein können.Alkyl groups can be those described here Compounds of formula (I) or (II) straight-chain or branched, be substituted or unsubstituted. This also applies if they occur in other groups, e.g. in alkoxy, alkylmercapto, Alkoxycarbonyl groups. Alkyl groups with 1 to 12 are preferred Carbon atoms and particularly preferred are alkyl groups with 1 to 8 carbon atoms, especially in the compounds of the formula (I). The term alkyl also includes cycloalkyl groups with 3 to 8 ring carbon atoms, which are also substituted or unsubstituted could be.

Alkenyl und Alkinylgruppen in den Verbindungen von Formel (I) oder (II) können ebenfalls geradkettig oder verzweigt, substituiert oder unsubstituiert sein. Dies trifft auch zu, wenn sie in anderen Gruppen vorkommen, z.B. in Alkoxy, Alkylmercapto, Alkoxycarbonylgruppen. Bevorzugt sind Alkenyl- oder Alkinylgruppen mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen und besonders bevorzugt sind Alkenyl- oder Alkinylgruppen mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere in den Verbindungen gemäß Formel (I). Der Begriff Alkenyl umfasst ferner Cycloalkyenylgruppen mit 3 bis 8 Ringkohlenstoffatomen, die ebenfalls substituiert oder unsubstituiert sein können.Alkenyl and alkynyl groups in the Compounds of formula (I) or (II) can also be straight chain or be branched, substituted or unsubstituted. This is also true if they occur in other groups, e.g. in alkoxy, alkylmercapto, Alkoxycarbonyl groups. Alkenyl or alkynyl groups having 2 to 12 carbon atoms are preferred and particularly preferred are alkenyl or alkynyl groups with 2 up to 8 carbon atoms, especially in the compounds of the formula (I). The term alkenyl also includes cycloalkyenyl groups 3 to 8 ring carbon atoms, which are also substituted or unsubstituted could be.

Ein hier bevorzugter Substituent der Alkyl- Alkenyl oder Alkinylgruppen ist Halogen, d.h. Fluor, Chlor, Brom oder Iod, wobei Fluor besonders bevorzugt wird.A preferred substituent here the alkyl alkenyl or alkynyl group is halogen, i.e. Fluorine, Chlorine, bromine or iodine, with fluorine being particularly preferred.

Wenn Ra und Rb zusammen eine Verbrückung zwischen den beiden Ringssystemen der Verbindungen gemäß Formel (I) bilden, sei an dieser Stelle betont, dass in diesem Fall eine HC=CH Gruppe eine bevorzugte Alkenylgruppe darstellt, die vorzugsweise eine Verbrückung zwischen den Ringatomen 2 und 9 und/oder 4 und 5 bildet. Somit gehören annelierte aromatische Systeme wie 2,7-Diazaphenanthren (im Fall von nur einer Verbrückung) oder 2,7-Diazapyrenium (im Fall von zwei Verbrückungen) zu den hier bevorzugt eingesetzten Bispyridinium-Grundgerüsten (vgl. 2). Gleichwohl können davon abgeleitete (annelierte) heterocyclische Verbindungen in der vorliegenden Erfindung verwendet werden (vgl. Definition von Ra und Rb). Ein weiteres beispielhaftes Bispyridiumium-Grundgerüst, bei dem die Substituenten Ra und Rb eine Verbrückung bilden, ist das aus [4] bekannte Tetrahydrodiazapyren (vgl. 2). Der Klarheit halber sei gesagt, dass derartige Systeme selbstverständlich, wie anhand der Definition von Formel 1 ersichtlich, ferner einen Substituenten Rc aufweisen können. In einer Ausführungsform ist Rc vorzugsweise Halogen, wobei wiederum Fluor bevorzugt wird.If R a and R b together form a bridge between the two ring systems of the compounds of the formula (I), it should be emphasized at this point that in this case an HC = CH group is a preferred alkenyl group, which is preferably a bridge between the ring atoms 2 and 9 and / or 4 and 5 forms. Annellated aromatic systems such as 2,7-diazaphenanthrene (in the case of only one bridging) or 2,7-diazapyrenium (in the case of two bridges) are among the preferred bispyridinium frameworks used here (cf. 2 ). Nonetheless, derived (fused) heterocyclic compounds can be used in the present invention (see definition of R a and R b ). Another exemplary bispyridiumium backbone in which the substituents R a and R b form a bridge is the tetrahydrodiazapyrene known from [4] (cf. 2 ). For the sake of clarity, it should be said that such systems can of course, as can be seen from the definition of Formula 1, also have a substituent R c . In one embodiment, R c is preferably halogen, with fluorine again being preferred.

Die Bedeutung von Aryl in den Verbindungen gemäß Formel (I) schließt substituierte und unsubstituierte carbocyclische aromatische Gruppen wie Phenyl, Naphthyl, Anthracyl sowie heterocyclische aromatische Gruppen wie N-Imidazolyl, 2-Imidazolyl, 2-Thienyl, 3-Thienyl, 2-Furanyl, 3-Furanyl, 2-Pyridyl, 3-Pyridyl, 4-Pyridyl, 2-Pyrimidyl, 4-Pyrimidyl, 2-Pyranyl, 3-Pyranyl, 4-Pyranyl, 3-Pyrazolyl, 4-Pyrazolyl, 5-Pyrazolyl, 2-Pyrazinyl, 2-Thiazolyl, 4-Thiazolyl, 5-Thiazolyl, 2-Oxazolyl, 4-Oxazolyl and 5-Oxazolyl ein. Ar beinhaltet ebenfalls annellierte polycyclische aromatische Ringsysteme wie Chinolin oder 9H-Thioxanthene-10,10-dioxid, bei denen ein carbocyclischer aromatischer Ring mit einem oder mehreren heterocyclischen Ringen kondensiert ist.The importance of aryl in the compounds according to formula (I) closes substituted and unsubstituted carbocyclic aromatic groups such as phenyl, naphthyl, anthracyl and heterocyclic aromatic groups such as N-imidazolyl, 2-imidazolyl, 2-thienyl, 3-thienyl, 2-furanyl, 3-furanyl, 2-pyridyl, 3-pyridyl, 4-pyridyl, 2-pyrimidyl, 4-pyrimidyl, 2-pyranyl, 3-pyranyl, 4-pyranyl, 3-pyrazolyl, 4-pyrazolyl, 5-pyrazolyl, 2-pyrazinyl, 2-thiazolyl, 4-thiazolyl, 5-thiazolyl, 2-oxazolyl, 4-oxazolyl and 5-oxazolyl. Ar also includes fused polycyclic aromatic ring systems such as quinoline or 9H-Thioxanthene-10,10-dioxide, which is a carbocyclic aromatic Ring condensed with one or more heterocyclic rings is.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner auch neue Bispyridinium-Verbindungen der allgemeinen Formel (Ib)

Figure 00090001
wobei in Formel (Ib)
(mindestens) eine Gruppierung Xa bzw. Xb ersetzt sein kann, die jeweils für ein Heteroatom steht, das aus S, N und O ausgewählt wird, oder für eine Leerstelle steht (d.h. wodurch ein 5-Ring erzeugt wird)
eines oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden Ringssysteme jeweils unabhängig voneinander einen Substituenten Ra bzw. Rb aufweist, der jeweils unabhängig für Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl, Alkinyl, Halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR', CONHR', NO2, OH, OR', NH2, NHR', NR'R'', SH und SR' steht, wobei R' und R'' unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, oder
wobei Ra und Rb zusammen eine Verbrückung zwischen den beiden aromatischen Ringsystemen bildet, die 1 bis 3 Atome umfasst, wobei die Atome unabhängig voneinander aus C, S, N und O ausgewählt werden und durch eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung miteinander verknüpft sein können und ferner einen Substituenten Rc aufweisen können, wobei der Substituent Rc die für Ra und Rb, oben angegebene Bedeutung hat,
Y für eine Gruppe steht, die unabhängig voneinander aus CH2, O, S, NH, NR', COO, CONH, CH=CH, C=C oder Aryl ausgewählt werden kann,
Za und Zb unabhängig voneinander jeweils CH3, -CH=CH2, SH, -S-S-,-S(CO)-CH3, SiCl3, Si(OR)3, SiR(OR')(OR''), SiR(OR')2, Si(R'R'')NH2, COOH, SO3, PO3H, oder NH2 sein kann,
wobei R' und R'' jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Arylalkyl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann,
wobei n, q jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können,
j und k jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 6 annehmen können,
p und m jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können,
wobei die folgenden Verbindungen ausgenommen sind: N,N'-Dimethyl-4,5,9,10-Tetrahydro-2,7-diazapyreniumdiiodid (in [4] beschrieben);
1,1',2,2'-tetramethyl-4,4'-bispyridinium; 1,1',2,-trimethyl-4,4'-bispyridinium (in [5] und [6] beschrieben);
N,N'-Dimethyl-2,7-diazapyrenium (in [7] beschrieben);
N-methyl-N'-(p-toloyl)-2,7-diazapyrenium (in [7] beschrieben);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6-(p-toloyl)-4,4'-bispyridiumdiperchlorat (in [8] beschrieben);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-4,4'-bispyridiumdiperchlorat (in [8] beschrieben);
6-(Phenyl)-1,1',2-trimethyl-4,4'-bispyridiumdi-perchlorat (in [8] beschrieben);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6-(2,5-dichloro-3-thienyl)-4,4'-bispyridiumdiperchlorat (in [8] beschrieben).The present invention also relates to new bispyridinium compounds of the general formula (Ib)
Figure 00090001
where in formula (Ib)
(at least) one group X a or X b can be replaced, each of which stands for a heteroatom selected from S, N and O, or stands for a blank (ie which creates a 5-ring)
one or more of the carbon atoms of the two ring systems each independently has a substituent R a or R b , each of which is independently for alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl, alkynyl, halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR ', CONHR' , NO 2 , OH, OR ', NH 2 , NHR', NR'R '', SH and SR ', where R' and R '' can independently be alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl or alkynyl, or
where R a and R b together form a bridge between the two aromatic ring systems, which comprises 1 to 3 atoms, the atoms being selected independently of one another from C, S, N and O and linked to one another by a single, double or triple bond and can also have a substituent R c , where the substituent R c has the meaning given above for R a and Rb,
Y represents a group which can be selected independently of one another from CH 2 , O, S, NH, NR ', COO, CONH, CH = CH, C = C or aryl,
Z a and Z b independently of one another each CH 3 , -CH = CH 2 , SH, -SS -, - S (CO) -CH 3 , SiCl 3 , Si (OR) 3 , SiR (OR ') (OR'' ), SiR (OR ') 2 , Si (R'R'') NH 2 , COOH, SO 3 , PO 3 H, or NH 2 ,
where R 'and R''can each independently be alkyl, aryl, arylalkyl, alkenyl or alkynyl,
where n, q can independently assume a value between 0 and 12,
j and k can each independently have a value between 0 and 6,
p and m can each independently assume a value between 0 and 12,
except for the following compounds: N, N'-dimethyl-4,5,9,10-tetrahydro-2,7-diazapyrenium diiodide (described in [4]);
1,1 ', 2,2'-tetramethyl-4,4'-bispyridinium; 1,1 ', 2, -trimethyl-4,4'-bispyridinium (described in [5] and [6]);
N, N'-dimethyl-2,7-diazapyrenium (described in [7]);
N-methyl-N '- (p-toloyl) -2,7-diazapyrenium (described in [7]);
1,1'-dimethyl-2-phenyl-6- (p-toloyl) -4,4'-bispyridium diperchlorate (described in [8]);
1,1'-dimethyl-2-phenyl-4,4'-bispyridium diperchlorate (described in [8]);
6- (phenyl) -1,1 ', 2-trimethyl-4,4'-bispyridium di-perchlorate (described in [8]);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6- (2,5-dichloro-3-thienyl) -4,4'-bispyridium diperchlorate (described in [8]).

Dabei sind Verbindungen bevorzugt, bei denen die am Stickstoffatom des jeweiligen Ringes gebundene Kette jeweils nicht mehr als insgesamt als 20 Atome aufweist. Dabei sind wiederum Verbindungen bevorzugt, bei denen insgesamt beide Ketten zusammen eine Gesamtlänge von mehr als 30 Atomen aufweisen. Mit Hilfe der Indices ausgedrückt, bedeutet dies, dass (j·q + p) bzw. (k·n + m) vorzugsweise jeweils unabhängig voneinander einen Wert (ganze Zahl) nicht größer als 20 annehmen sind. Die Summe aus (j·q + p) + (k·n + m) ist dabei vorzugsweise somit nicht größer als 30.Compounds are preferred in which the chain bonded to the nitrogen atom of the respective ring in each case has no more than a total of 20 atoms. Again, connections are ahead moves, in which both chains together have a total length of more than 30 atoms. Expressed with the help of the indices, this means that (j * q + p) or (k * n + m) preferably each independently assume a value (integer) not greater than 20. The sum of (jq + p) + (kn + m) is therefore preferably not greater than 30.

Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Bispyridinium-Verbindungen der allgemeinen Formel (I)/(Ib) als funktioneller Bestandteil von (elektrischen) Speichereinheiten, insbesondere als funktioneller Bestandteil von Permanentspeichern.The invention further relates to the Use of bispyridinium compounds of the general formula (I) / (Ib) as a functional component of (electrical) storage units, especially as a functional part of permanent storage.

Die Darstellung von Bispyridinium-Verbindungen gemäß Formel (I) bzw. (Ib) erfolgt vorzugsweise stufenweise, indem zuerst die Bispyridimium-Einheit synthetisiert wird und dann die Quarternisierung am Stickstoffatom erfolgt. Dabei lassen sich unsubstituierte Bispyridine in Analogie zu den Biphenylen z.B. mittels der Ullmann-Kopplung (C-C-Verknüpfung von Arylhalogeniden mit Kupfer), oder Wurtz-sche Synthese (stufenweise Umsetzung mit Kupfer, die die Ausbildung unsymmetrischer Verbindungen erlaubt) darstellen, siehe dazu z.B. [9] und die dort angegebenen Zitate. Das unsubstituierte Bispyridin ist kommerziell erhältlich.The representation of bispyridinium compounds according to formula (I) or (Ib) is preferably carried out in stages by first the Bispyridimium unit is synthesized and then the quaternization at the nitrogen atom. Unsubstituted bispyridines can be used in analogy to the biphenyls e.g. using the Ullmann coupling (C-C bond of aryl halides with copper), or Wurtz synthesis (stepwise Implementation with copper, which leads to the formation of asymmetrical connections allowed), see e.g. [9] and those specified there Quotes. The unsubstituted bispyridine is commercially available.

Die Anbindung der N-Substituenten an die Bispyridium-Einheit erfolgt durch einfache Quartärnisierung mit R-X. Für den einfachsten Fall z.B. durch Umsetzung von Bipyridyl mit Reagenzien wie Methyliodid in Benzol (siehe z.B. [10] oder [11]). Dies ergibt dann direkt die symmetrisch N-substituierten Bispyridinium-Verbindungen oder wenn ein geeigneter Rest X verwendet wird, stufenweise auch unsymmetrische Verbindungen (die Wahl von X steuert hierbei die Löslichkeit in geeigneten Lösungsmitteln) und wird gefolgt von Austausch des Gegen-Ions und Substitution des zweiten N-Atoms. Allgemein kann dies wie folgt formuliert werden.The binding of the N-substituents to the bispyridium unit by simple quaternization with R-X. For the simplest case e.g. by reacting bipyridyl with reagents such as methyl iodide in benzene (see e.g. [10] or [11]). This results in then directly the symmetrically N-substituted Bispyridinium compounds or if a suitable radical X is used gradually unbalanced connections (the choice of X controls solubility in suitable solvents) and is followed by exchange of the counter ion and substitution of the second N atom. In general, this can be formulated as follows.

Figure 00120001
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Die Substitution an den Stickstoffatomen, die zu asymetrischen Verbindungen führt, kann z.B. in einer Zweischrittreaktion erfolgen, wie in [12] anhand der Synthese von N-(n-Decyl)-N'-(10-mercaptododecyl)-4,4'-bispyridinium beschrieben (vgl. hierzu auch [13] oder [14] sowie [15]).The substitution on the nitrogen atoms, which leads to asymmetrical connections, e.g. in a two-step reaction take place as described in [12] using the synthesis of N- (n-decyl) -N '- (10-mercaptododecyl) -4,4'-bispyridinium (see also [13] or [14] and [15]).

Die Substitution der Bispyridinium-Einheit durch Ra und Rb, wobei diese sowohl Substituenten mit elektronenspendenden als auch elektronenziehenden Eigenschaften sein können, kann als vorangehende Reaktion wie z.B. in [16], [17] oder [18] beschrieben erfolgen (vgl. insbesondere [16] Schemata 1 und 2; [17] Verbindungen 6). Ausgehend von einer Bispyridinium-Verbindung, die in 2-Position eine Hydroxylgruppe trägt (vgl. R2 in [17], ist es ferner z.B. möglich, durch Umsetzung mit P2S5 unter Ringbildung zu einem -S-S- bzw. -S- verbrückten System (vgl. Definition von Ra und Rb) zu gelangen. Ferner, und insbesondere bei Verwendung von 2,7-Diazaphenanthren als Bispyridinium-Einheit kann die Einführung der Substituenten Ra und Rb analog zu dem in [19] beschriebenen Verfahren durchgeführt werden (siehe dort insbesondere Verbindungen 6 und 7).The substitution of the bispyridinium unit by R a and R b , which can be both substituents with electron-donating and electron-withdrawing properties, can be carried out as a preceding reaction as described, for example, in [16], [17] or [18] (cf. in particular [16] Schemes 1 and 2; [17] Compounds 6). Starting from a bispyridinium compound which bears a hydroxyl group in the 2-position (cf. R2 in [17], it is also possible, for example, to form a -SS- or -S- by reaction with P 2 S 5 with the formation of a ring System (cf. definition of R a and R b ), and, in particular when using 2,7-diazaphenanthrene as the bispyridinium unit, the introduction of the substituents R a and R b can be carried out analogously to the process described in [19] be carried out (see there in particular compounds 6 and 7).

Verbindungen mit (zusätzlichen) Heteroatomen, d.h. einer oder mehreren Gruppen X, können zum Beispiel mittels der in [18] beschriebenen Synthese erhalten werden (vgl. dort Block 4 und 5) .Connections with (additional) Heteroatoms, i.e. one or more groups X, for example can be obtained by means of the synthesis described in [18] (cf. there blocks 4 and 5).

In den Verbindungen nach Formel (I)/(Ib) können die Gruppe X wie auch die Substituenten R zur Beeinflussung und gezielten Steuerung der elektrochemischen Eigenschaften, d.h. insbesondere der Redoxpotentiale, der Bispyridinium-Einheit herangezogen werden. Durch solche Substitutionen kann der Ladungsausgleich bei einem Schaltvorgang in dem Schaltungselement unterstützt werden.In the compounds of the formula (I) / (Ib) can the group X as well as the substituents R to influence and targeted control of the electrochemical properties, i.e. in particular the redox potentials of the bispyridinium unit. With such substitutions, the charge balance in one Switching process in the circuit element are supported.

So lassen sich z.B. durch elektronenreiche Substituenten R, wie z.B. Alkyl oder Arylreste, die einen induktiven, elektronenspendenden Effekt (den sogenannten +I-Effekt) ausüben, die Elektronenabgabe durch die Bispyridinium-Einheit, erleichtern, und dadurch das Reduktionspotential erniedrigen. Gleiches gilt für Substituenten, die freie Elektronenpaare zur Verfügung stellen und die Ausbildung mesomerer Grenzstrukturen ermöglichen, d.h. einen +M-Effekt zeigen. Beispiele für solche Substituenten sind -OH, -OR, -NH2, -NHR, -SR oder Fluor.For example, electron-rich substituents R, such as alkyl or aryl residues, which have an inductive, electron-donating effect (the so-called + I effect), facilitate the electron donation by the bispyridinium unit, and thereby reduce the reduction potential. The same applies to substituents which provide lone pairs and enable the formation of mesomeric boundary structures, ie show a + M effect. Examples of such substituents are -OH, -OR, -NH 2 , -NHR, -SR or fluorine.

Gegenläufige Effekte, d.h. die Erhöhung des Oxidationspotentials lassen sich durch Substituenten mit elektronenziehenden -I und -M Effekten (z.B. -CN, -NO2, -COOH, -SO3H) bzw. mit Substituenten wie Cl, bei denen ein elektronenziehender Effekt einen elektronenspendenden Effekt überwiegt, erzielen.Opposing effects, ie the increase in the oxidation potential, can be achieved by substituents with electron-withdrawing -I and -M effects (eg -CN, -NO 2 , -COOH, -SO 3 H) or with substituents such as Cl, in which an electron-withdrawing effect unites predominate electron donating effect.

Diese Effekte sollten ableitbar sein und im guten Einklang liegen z.B. mit Trends und Erkenntnissen aus der Photoelektronenspektroskopie (siehe z.B. [20]). Daraus ist zum Beispiel für substituierte Benzole das Ionisierungspotential bekannt, was mit der Energie des höchsten besetzten Molekülorbitals (HOMO) korreliert. +I und +M-Substituenten haben energiereichere HOMOs als Benzol, d.h. niedrigere Ionisierungspotentiale (entsprechend einer leichteren Oxidierbarkeit), im Falle von -M, bzw. -I-Substituenten ist der Effekt umgekehrt. Dieser Einfluss auf die Ionisierungspotentiale ist zwar nicht ganz so stark, aber auch deutlich vorhanden. Diese Beziehung sollte vor allem gelten, weil die elektrophile aromatische Substitution mit dem reaktionsbeschleunigenden Einfluss von +M/+I-Substituenten über eine Primärreaktion des aromatischen Elektronensystems mit E+ verläuft, d.h. also einer Oxidation des Aromaten entspricht.These effects should be derivable and be in good harmony, for example, with trends and findings from photoelectron spectroscopy (see eg [20]). For example, the ionization potential for substituted benzenes is known, which correlates with the energy of the highest occupied molecular orbital (HOMO). + I and + M substituents have higher-energy HOMOs than benzene, ie lower ionization potentials (corresponding to easier oxidizability), in the case of -M or -I substituents the effect is reversed. This influence on the ionization potential is not quite as strong, but it is also clearly present. This relationship should apply above all because the electrophilic aromatic substitution with the reaction-accelerating influence of + M / + I substituents takes place via a primary reaction of the aromatic electron system with E + , ie it corresponds to an oxidation of the aromatic.

Durch den Substituenten Y können ebenfalls die elektrochemischen Eigenschaften der hier verwendeten Bispyridinium-Verbindungen in der für die Substituenten R und X vorstehend beschriebenen Weise beeinflusst werden.Through the substituent Y can also the electrochemical properties of the bispyridinium compounds used here in the for affects the substituents R and X described above become.

Eine bevorzugte Klasse von Bispyridinium-Verbindungen sind Moleküle mit langkettigen Alkylresten. Diese Verbindungen haben den Vorteil, dass sie die Ausbildung selbstorganisierender Schichten der redox-aktiven Moleküle auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials ermöglichen. Bei solchen Verbindungen nehmen j und k in Formel (I) die Werte 0 an.A preferred class of bispyridinium compounds are molecules with long chain alkyl residues. These connections have the advantage that they are training self-organizing layers of redox-active molecules on the surface of the electrically conductive Enable material. For such compounds, j and k in formula (I) take the values 0 on.

In einer Ausführungsgestaltung sind in der vorliegenden Erfindungen Moleküle bevorzugt, bei denen die am Pyridin- Stickstoffatom befindlichen (Alkyl)-Ketten eine Länge von mit 6 bis 12 Atomen aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, kürzere oder längere Ketten zu verwenden, solange die Redoxeigenschaften der Bispyridinium-Moleküle und die Funktionalität des Schaltungselements dadurch nicht beeinträchtigt wird.In one embodiment, the present inventions molecules preferred, in which the (alkyl) chains located on the pyridine nitrogen atom a length from 6 to 12 atoms. However, it is also possible to use shorter or shorter ones longer Use chains as long as the redox properties of the bispyridinium molecules and the functionality of the circuit element is not affected.

Der Buchstabe Z in Formel (I) steht für eine Kopf- oder Ankergruppe, mittels deren die Bispyridinium-Verbindungen auf den elektrisch leitfähigen Materialien aufgebracht werden. Diese Immobilisierung kann durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen erfolgen.The letter Z in formula (I) stands for one Head or anchor group, by means of which the bispyridinium compounds on the electrically conductive Materials are applied. This immobilization can be done by physical or chemical interactions take place.

Diese Wechselwirkungen schließen hydrophobe oder ionische (elektrostatische) Wechselwirkungen und kovalente Bindungen ein. Beispielsweise kann bei Verwendung von Thiolgruppen als Substituent und Gold als leitfähigem Material, das auf dem Substratmaterial aufgebracht ist, die Immobilisierung durch die sogenannte Gold-Schwefel-Kopplung erfolgen.These interactions include hydrophobic ones or ionic (electrostatic) interactions and covalent Bindings. For example, when using thiol groups as a substituent and gold as a conductive material based on the Substrate material is applied, the immobilization by the so-called gold-sulfur coupling take place.

Bei Verwendung von Gruppen wie z.B. SH, SiCl3 oder NH2, COOH kann eine direkte kovalente Verknüpfung der Bispyridinium-Verbindung mit dem elektrisch leitfähigen Material erfolgen. Hierbei ist es auch möglich, Disulfid-Verbindungen (RSSR', wobei R=R'=Bipyridylhaltiges Molekül, bzw. R= Bipyridylhaltiges Molekül, und R' einfach Methyl oder kurzes Alkyl) zu verwenden, die ebenfalls Monoschichten auf Gold bilden, dies jedoch über nicht kovalente Wechselwirkungen bewerkstelligen. Möglich ist es auch, z.B. wenn freie Hydroxyl-Gruppen, auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet werden können (z.B, bei Verwendung von dotiertem Silizium), Alkoxysilane für die Anbindung zu nehmen, z.B. -SiRn(OR')3–n mit R und R' Alkyl, R' typischerweise Methyl oder Ethyl, n = 0–2).If groups such as SH, SiCl 3 or NH 2 , COOH are used, the bispyridinium compound can be directly covalently linked to the electrically conductive material. It is also possible to use disulfide compounds (RSSR ', where R = R' = bipyridyl-containing molecule, or R = bipyridyl-containing molecule, and R 'simply methyl or short alkyl), which also form monolayers on gold, however manage through non-covalent interactions. It is also possible, for example, if free hydroxyl groups can be formed on the surface of the electrically conductive material (for example, when using doped silicon), to use alkoxysilanes for the bond, for example -SiR n (OR ') 3 – n with R and R 'alkyl, R' typically methyl or ethyl, n = 0-2).

Die kovalente Verknüpfung kann dabei über jede geeignete Verknüpfungschemie erfolgen. Möglich ist jedoch auch, einen kurzen separaten Linker zur Immobilisierung der redox-aktiven Verbindungen zu verwenden.The covalent link can doing about any suitable linking chemistry respectively. Possible is, however, also a short separate linker for immobilization of the redox-active compounds.

Die Wahl der jeweiligen Kopfgruppe kann auch von der Art des elektrisch leitfähigen Materials beeinflusst werden. So eignen sich zum Beispiel im Falle von Gold als leitfähigem Material insbesondere Thiole als Ankergruppen; bei Verwendung von Palladium kommen z.B. Cyanide und Isocyanide als bevorzugte Kopfgruppen in Betracht und für Silizium-Oberflächen sind Silylchloride, Silylamine Si(R'R'')NH2 sowie wie oben Alkoxysilane, -SiR'n(OR'')3–n mit R' und R'' = Alkyl, (typischerweise Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl etc., n = vorzugsweise 0–5, besonders bevorzugt n = 0–2) gut geeignete Ankergruppen für die Immobilisierung.The choice of the respective head group can also be influenced by the type of electrically conductive material. For example, in the case of gold as the conductive material, thiols are particularly suitable as anchor groups; when using palladium, for example, cyanides and isocyanides are preferred head groups and for silicon surfaces are silyl chlorides, silylamines Si (R'R '') NH 2 and, as above, alkoxysilanes, -SiR ' n (OR'') 3 – n with R 'and R''= alkyl, (typically methyl, ethyl, propyl, butyl etc., n = preferably 0-5, particularly preferably n = 0-2) well-suited anchor groups for immobilization.

Eine andere für die Immobilisierung generell gut geeignete und daher ebenfalls bevorzugte Kopfgruppe ist -S(CO)-CH3.Another head group that is generally well suited and therefore also preferred for immobilization is -S (CO) -CH 3 .

In einer Ausführungsform des Schaltungselements ist eine kovalente Verknüpfung der redox-aktiven Verbindungen an das erste und/oder das zweite leitfähigen Material bevorzugt, weil dadurch die Orientierung der Moleküle und der (elektrische) Kontakt zu den leitfähigen Materialien gewährleistet werden kann.In one embodiment of the circuit element is a covalent link of the redox-active compounds to the first and / or the second conductive Material preferred, because it means the orientation of the molecules and the (Electrical) contact to the conductive materials guaranteed can be.

Unter einem elektrisch inerten Molekül wird hier eine chemische Verbindung verstanden, die als elektrischer Isolator dient und vorzugsweise auch chemisch inert ist, insbesondere oxidations- oder reduktionsbeständig ist, und somit den Schaltungsvorgang, der durch die redox-aktiven Bispyridinium-Moleküle bewirkt wird, nicht stört. Wegen ihrer Eigenschaft als elektrischer Isolator zu dienen, bilden die Schichten aus den inerten Molekülen, die man folglich auch als Isolatormoleküle bezeichnen kann, eine isolierende Matrix, um die einzelnen aktiven Bereiche (Positionen) des Schaltungselements voneinander elektrisch zu trennen.Below is an electrically inert molecule understood a chemical compound that acts as an electrical insulator serves and is preferably also chemically inert, in particular oxidation or reduction resistant is, and thus the switching process by the redox-active Bispyridinium molecules is not disturbed. Because of their property to serve as an electrical insulator, form the layers of the inert molecules, which consequently also as isolator molecules can denote an isolating matrix to the individual active Areas (positions) of the circuit element from each other electrically to separate.

Prinzipiell kann jede Art von Molekülen, die die eben genannten Anforderungen erfüllen, in dem Schaltungselement dir Erfindung eingesetzt werden. Dabei können auch verschiedene Arten von inerten Molekülen verwendet werden, um eine isolierende Matrix zu bilden.In principle, any kind of molecules that meet the requirements just mentioned in the circuit element you invention are used. Different types can also be used used by inert molecules to form an insulating matrix.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Schaltungselements sind die elektrisch inerten Moleküle Verbindungen mit einem langkettigen (gesättigten) Alkylrest.In a preferred embodiment of the circuit element are the electrically inert molecules compounds with a long chain (saturated) Alkyl.

Vorzugsweise weisen die elektrischen Moleküle eine Kopfgruppe auf, mittels derer sie an die erste Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial gebunden werden können. Dabei ist eine Immobilisierung über nicht-kovalente oder kovalente Bindungen möglich. Es ist möglich, die inerten Moleküle auch an der Schicht aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material zu immobilisieren.Preferably, the electrical molecules a head group, by means of which they go out to the first layer can be bound to the electrically insulating substrate material. there is an immobilization over non-covalent or covalent bonds possible. It is possible that inert molecules also on the layer made of the second electrically conductive material to immobilize.

Vorzugsweise sind die inerten Matrix-bildenden Moleküle Alkylsilylverbindungen der allgemeinen Formel CH3-(CH2)p-SiR1R2R3 (II) sind, wobei in Formel (II) p für eine ganze Zahl zwischen 1 und 30, vorzugsweise 1 und 20 steht, und wobei die inerten Moleküle über mindestens einen der Reste R1, R2 und R3, der unabhängig voneinander Wasserstoff, Halogen, OR', NHR', NR'R'' sein kann, wobei R' und R'' Alkyl ist (typischerweise Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl etc., n = vorzugsweise 0–5, besonders bevorzugt n = 0–2), auf der ersten Schicht immobilisiert sind. Solche Verbindungen sind kommerziell erhältlich, z.B. von ABCR/Gelest (einfachere Verbindungen auch bei Fluka oder Aldrich). Diese Verbindungen sind insbesondere bevorzugt, wenn ein Substrat auf Siliziumbasis verwendet wird. In diesem Fall erfolgt eine kovalente Bindung der inerten Isolator-Moleküle über freie Hydroxygruppen auf der Oberfläche des Substratmaterials.The inert matrix-forming molecules are preferably alkylsilyl compounds of the general formula CH 3 - (CH 2 ) p -SiR 1 R 2 R 3 (II) where in formula (II) p is an integer between 1 and 30, preferably 1 and 20, and wherein the inert molecules have at least one of the radicals R 1 , R 2 and R 3 , which are independently hydrogen, halogen, OR ', NHR', NR'R '', where R 'and R''is alkyl (typically methyl, ethyl, propyl, butyl etc., n = preferably 0-5, particularly preferably n = 0-2) , are immobilized on the first layer. Such compounds are commercially available, for example from ABCR / Gelest (simpler compounds also from Fluka or Aldrich). These compounds are particularly preferred when a silicon-based substrate is used. In this case, the inert insulator molecules are covalently bound via free hydroxyl groups on the surface of the substrate material.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Länge der Alkylketten der elektrisch inerten Moleküle von der jeweils gewählten Bispyridinium-Verbindungen abhängt. Es ist günstig, wenn die Länge der Moleküle annähernd gleich ist, um so annähernd gleiche Dicken der monomolekularen Schichten zu erzielen. Die Anzahl der Alkyleinheiten in der isolierenden Schwanzgruppe der inerten Isolator-Moleküle kann anhand der bekannten Bindungslängen abgeschätzt werden. Allerdings ist auch eine rein empirische Vorgehensweise zur Ermittlung der am besten geeigneten Moleküllänge möglich.At this point it should be noted that the length of the alkyl chains of the electrically inert molecules of the respectively selected bispyridinium compounds depends. Its cheap, if the length of the molecules nearly is the same, so close to achieve equal thicknesses of the monomolecular layers. The number of the alkyl units in the isolating tail group of the inert Insulator molecules can be estimated from the known bond lengths. However, a purely empirical procedure for determining the most suitable molecular length possible.

Folglich ist die Verwendung von elektrisch inerten Moleküle mit einem langkettigen Alkylrest, insbesondere von Alklysilylverbindungen der Formel (II) in Schaltungselementen ein weiterer Gegenstand der Erfindung.Hence the use of electrical inert molecules with a long-chain alkyl radical, especially of alkylsilyl compounds of the formula (II) in circuit elements is another subject of Invention.

In einer Ausgestaltung ist das hier offenbarte Schaltungselement ein Element, bei dem eine Vielzahl diskreter Bereiche aus dem ersten elektrisch leitenden Material in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es zum Beispiel, das Schaltungselement der Erfindung als einen elektrischen Speicher mit einer Vielzahl von Speicherzellen auszubilden.In one embodiment, this is here circuit element disclosed an element in which a plurality of discrete Areas of the first electrically conductive material in the substrate material is embedded and / or applied to the substrate material. This Design enables it, for example, the circuit element of the invention as an electrical Form memory with a plurality of memory cells.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich möglich ist, sowohl unterschiedliche Bispyridinium-Verbindungen auf einem einzelnen diskreten Bereich des leitfähigen ersten Materials aufzubringen. Ferner ist es auch möglich, verschiedene dieser Bereiche mit verschiedenen redox-aktiven Verbindungen zu versehen, um dadurch die Eigenschaften des Schaltungselement an einen bestimmten Verwendungszweck anzupassen.In this context, be on it pointed out that it goes without saying possible is, both different bispyridinium compounds on one to apply a single discrete area of the conductive first material. It is also possible different of these areas with different redox-active compounds to thereby provide the properties of the circuit element adapt to a specific purpose.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Schaltungselements ist das erste elektrisch leitfähige Material Gold, Silber Palladium, Platin oder Silizium. Der diskrete Bereich, den das erste leitfähige Material einnimmt, kann als Elektrode in dem Substratmaterial ausgestaltet sein.In a preferred embodiment of the circuit element is the first electrically conductive material Gold, silver, palladium, platinum or silicon. The discrete area the first conductive Ingesting material can be configured as an electrode in the substrate material his.

Bei einer anderen Ausgestaltung des hier offenbarten Schaltungselements weist die Schicht aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material vorzugsweise Titan und/oder Aluminium auf. Die zweite Schicht kann ebenfalls als Elektrode ausgestaltet sein. Zudem sind als weitere Materialien zur Ausbildung der zweiten Elektrode, die Materialien der ersten Elektrode geeignet.In another embodiment of the Circuit element disclosed here has the layer of the second electrically conductive Material preferably titanium and / or aluminum. The second layer can also be designed as an electrode. In addition, as others Materials for forming the second electrode, the materials suitable for the first electrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das hier beschriebene Schaltungselement zwischen zwei Elektroden angeordnet. Diese Elektroden können das erste und das zweite elektrisch leitende Material sein. In dieser Ausgestaltung, d.h. bei Anordnung zwischen zwei Elektroden, stellt das Schaltungselement der vorliegenden Erfindung einen veränderbaren Widerstand und folglich ein Speicherelement dar.In a preferred embodiment is the circuit element described here between two electrodes arranged. These electrodes can the first and the second electrically conductive material. In this Design, i.e. when arranged between two electrodes the circuit element of the present invention is a changeable Resistance and therefore a storage element.

In einer Weiterbildung, bei der eine Vielzahl von redoxaktiven Bispyridiniumschichten verwendet wird, bildet eine Anordnung derartiger Speicherelemente eine Speichermatrix, d.h. sie kann als ein elektrischer Speicher verwendet werden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist die Verwendung eines molekularen Zweipols als Speicherelement, wodurch gegenüber konventionellen Speicherelementen wie RAMs der Verdrahtungsaufwand reduziert und die Packungsdichte erhöht wird. Somit bietet das Speicherelement der Erfindung den Zugang zu einem hochintegrierbaren elektrischen Speicher. Das Speicherelement ist vorzugsweise ein Permanentspeicherelement und der auf einer Vielzahl von Speicherelementen basierende elektrische Speicher ist vorzugsweise ein Permanentspeicher. Ein solcher Permanentspeicher kann z.B. als Speicher für graphische Information dienen, beispielsweise als Speicher für „on-chip" Videofilme.In a training course where one Variety of redox active bispyridinium layers is used forms an arrangement of such memory elements, a memory matrix, i.e. it can be used as an electrical storage. On The advantage of this configuration is the use of a molecular one Bipolar as a storage element, which makes it different from conventional storage elements how RAMs reduce the wiring effort and the packing density elevated becomes. Thus, the memory element of the invention provides access to a highly integrable electrical storage. The storage element is preferably a permanent storage element and that on a A plurality of storage elements based electrical storage is preferred a permanent storage. Such permanent storage can e.g. as Memory for graphic information is used, for example as a memory for "on-chip" video films.

Bei dem Verfahren der Erfindung zur Herstellung eines Schaltungselements wird zunächst eine erste Schicht aus einem isolierenden Substratmaterial vorgelegt und ein erstes elektrisch leitfähigen Material an mindestens einer diskreten Position in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht.In the method of the invention for Manufacturing a circuit element is first a first layer submitted an insulating substrate material and a first electrical conductive Material in at least one discrete position in the substrate material embedded and / or applied to the substrate material.

Danach werden redoxaktive Bispyridinium-Moleküle als monomolekulare Schicht auf dem mindestens einen diskreten Bereich aus dem ersten elektrisch leitfähigen Material immobilisiert. Daraufhin werden elektrisch inerte Moleküle auf der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial immobilisiert. Dadurch bilden die elektrisch inerten Moleküle eine Matrix aus, die den mindestens einen Bereich mit der monomolekularen Schicht aus Bispyridinium-Molekülen umgibt.Thereafter, redox-active bispyridinium molecules as a monomolecular layer on the at least immobilized a discrete area made of the first electrically conductive material. Thereupon, electrically inert molecules are immobilized on the first layer made of the electrically insulating substrate material. As a result, the electrically inert molecules form a matrix which surrounds the at least one region with the monomolecular layer of bispyridinium molecules.

Dann wird bei dem Verfahren eine zweite Schicht mit einem zweiten elektrisch leitfähigen Material auf die Schicht aus den elektrisch inerten Molekülen und den Bispyridinium-Molekülen aufgebracht. Dadurch treten die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material der zweiten Schicht in Kontakt. Die inerten matrixbildenden Isolatormoleküle müssen nicht auf dem zweiten leitfähigen Material immobilisiert werden.Then in the process a second layer with a second electrically conductive material applied to the layer of the electrically inert molecules and the bispyridinium molecules. This causes the bispyridinium molecules to enter the monomolecular Layer with the second electrically conductive material of the second Layer in contact. The inert matrix-forming isolator molecules do not have to on the second conductive Material to be immobilized.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bispyridinium-Verbindungen jedoch auch auf dem zweiten elektrisch leitfähigen Material immobilisiert, um den elektrischen Kontakt mit diesem Material zu gewährleisten. Diese Immobilisierung kann aufgrund der identischen Kopfgruppe Z in derselben Weise wie die Immobilisierung auf dem ersten leitfähigen Material erfolgen.In a preferred embodiment however, the bispyridinium compounds are also on the second electrically conductive Material immobilized to make electrical contact with this material to ensure. This immobilization can be due to the identical head group Z in the same way as the immobilization on the first conductive material respectively.

Bei dem Verfahren werden vorzugsweise als Bispyridinium-Moleküle Verbindungen der allgemeinen Formel (I) verwendet. Als elektrisch inerte Moleküle werden vorzugsweise Verbindungen mit einem langkettigen Alkylrest, insbesondere Verbindungen gemäß Formel (II), verwendet.The method is preferred as bispyridinium molecules compounds of the general formula (I) used. As electrically inert molecules preferably compounds with a long-chain alkyl radical, in particular Compounds according to formula (II) used.

Als erstes leitfähiges Material wird vorzugsweise Gold verwendet. Ferner wird das erste elektrische leitfähige Material bevorzugt in einer regelmäßigen Anordnung in das Substratmaterial eingebettet und/oder aufgebracht.The first conductive material is preferred Gold used. Furthermore, the first electrically conductive material preferably in a regular arrangement embedded and / or applied in the substrate material.

Das Aufbringen der Schicht aus dem zweiten elektrischen Material erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das zweite elektrische Material auf die Schicht aus den elektrisch inerten Molekülen und den Bispyridinium-Molekülen aufgedampft wird.Applying the layer from the second electrical material is preferably done in that the second electrical material on the layer of the electrically inert molecules and the bispyridinium molecules is evaporated.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird als zweites elektrisch leitendes Material Titan und/oder Aluminium verwendet.In a further embodiment of the The method is titanium and / or the second electrically conductive material Aluminum used.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below.

Es zeigenShow it

1a und 1b die redox-aktive Bispyridinium-Einheit der in der Erfindungen verwendeten Moleküle sowie eine schematische Darstellung der Arbeitsweise eines Schaltungselements der Erfindung; 1a and 1b the redox-active bispyridinium unit of the molecules used in the inventions and a schematic representation of the operation of a circuit element of the invention;

2a bis 2e Formeldarstellungen von in der Erfindung bevorzugt verwendeten redox-aktiven Bispyridinium-Verbindungen und bevorzugt verwendeten elektrisch inerten Molekülen; 2a to 2e Formula representations of redox-active bispyridinium compounds preferably used in the invention and preferably used electrically inert molecules;

3a bis 3e ein Ausführungsbeispiel des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Schaltungselements; 3a to 3e an embodiment of the method described here for producing a circuit element;

4a bis 4c einen elektrischen Speicher, bei dem die hier beschriebenen Schaltungselemente verwendet werden, sowie dessen Arbeitsweise. 4a to 4c an electrical memory in which the circuit elements described here are used, and its mode of operation.

1a zeigt eine Formeldarstellung sowie eine schematische Darstellung der Bispyridinium-Einheit, anhand derer der auf molekularer Ebene ablaufende Redox-Vorgang der Bispyridinium-Einheit (des Bispyridinium-Grundgerüsts) veranschaulicht wird. 1a shows a formula and a schematic representation of the bispyridinium unit, by means of which the redox process of the bispyridinium unit (of the bispyridinium backbone) taking place at the molecular level is illustrated.

Das zweifach positiv geladenes Kation 101, das in der Schemadarstellung die Bezugsziffer 102 trägt, ist die Spezies, die unterhalb eines vorgegebenen Reduktionspotentials nicht leitend ist.The double positively charged cation 101 , which is the reference number in the diagram 102 is the species that is not conductive below a given reduction potential.

Oberhalb dieses vorgegebenen Reduktionspotentials stellt das Kation 101 einen Elektronenakzeptor dar. Unter Aufnahme eines Elektrons wandelt sich das zweifach positiv geladene Kation zum einfach positiv geladenen Radikalkation 103 (104 in der schematischen Darstellung) um. Durch das freie Elektron wird das Radikalkation elektrisch leitfähig. Dieser Zustand liegt unterhalb des Oxidationspotentials des Radikalkations 103 vor. Oberhalb des Oxidationspotentials stellt das Radikalkation folglich einen Elektronendonator dar. Die durch das Bezugszeichen 105 gekennzeichneten Alkylketten, die über das Stickstoffatom des jeweiligen Rings am Pyridinringsystem gebunden sind, nehmen an sich nicht an dem Redoxvorgang teil, sondern wirken eher als Isolator. Allerdings können in die Alkylketten eingebaute Substituenten wie vorstehend beschrieben z.B. durch +M und/oder +I-Effekte die Lage des Redoxpotentials beeinflussen.The cation is above this predetermined reduction potential 101 represents an electron acceptor. When an electron is taken up, the doubly positively charged cation changes to a single positively charged radical cation 103 ( 104 in the schematic representation). The free cation makes the radical cation electrically conductive. This state is below the oxidation potential of the radical cation 103 in front. The radical cation thus represents an electron donor above the oxidation potential 105 labeled alkyl chains, which are bonded to the pyridine ring system via the nitrogen atom of the respective ring, do not take part in the redox process per se, but rather act as an insulator. However, substituents built into the alkyl chains, as described above, can influence the position of the redox potential, for example by + M and / or + I effects.

1b zeigt schematisch die Potentialverhältnisse und Arbeitsweise (das Schaltprinzip) eines als Speicherelements ausgestalteten Schaltungselement der vorliegenden Erfindung. Dieses Speicherelement kann ein Schaltungselement sein, bei dem das ein Bereich aus dem ersten elektrisch leitenden Material sowie die Schicht aus dem zweiten elektrisch leitenden Material als Elektrode ausgestaltet ist. 1b shows schematically the potential relationships and mode of operation (the switching principle) of a circuit element configured as a memory element of the present invention. This memory element can be a circuit element in which the one area made of the first electrically conductive material and the layer made of the second electrically conductive material is designed as an electrode.

Beim Anlegen von kleinen positiven oder negativen Potentialen 107 (das Potential ist auf der x-Achse 106 in seiner relativen Lage angezeigt) werden noch keine Veränderungen des Redoxzustands initiiert. Dieser Bereich 108 wird zum Lesen der Speicherzelle verwendet. Das Anlegen eines größeren negativen Potentials 109 bewirkt eine Reduktion des Moleküls (Übergang zum Radikalkation 104). Dieser Bereich 110 dient zum Beschreiben des Speicherelements. Wird ein größeres positives Potential 111 an das Speicherelement angelegt, bewirkt dies eine Oxidation des Moleküls, d.h. eine Umwandlung in das Dikation 102. Dieser mit dem Potential 111 beginnende Bereich 112 wird zum Löschen des Speicherelements verwendet. Da dieser Redox-Prozess reversibel ist, können beliebig viele Schreib-, Lese- und Lösch-Vorgänge durchgeführt werden.When creating small positive or negative potentials 107 (the potential is on the x-axis 106 displayed in its relative position), no changes in the redox state are yet initiated. This area 108 is used to read the memory cell. The creation of a larger negative potential 109 causes a reduction of the molecule (transition to radical cation 104 ). This area 110 is used to describe the storage element. Becomes a bigger positive potential 111 applied to the storage element, this causes an oxidation of the molecule, ie a conversion into the dication 102 , This one with the potential 111 beginning area 112 is used to delete the storage element. Since this re dox process is reversible, any number of write, read and delete operations can be performed.

2a zeigt Bispyridinium-Verbindungen 201 gemäß Formel (I), die bevorzugt in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. 2b bis 2d zeigen 2,7-Diazaphenanthren (205), 2,7-Diazapyrenium (206) und Tetrahydrodiazapyren (207) als Beispiele für ein Bispyridiumium-Grundgerüst, bei dem die Substituenten Ra und Rb eine Verbrückung bilden. In 2e ist in Formeldarstellung und schematisch eine Trichloralkylsilanverbindung 202 gezeigt, die eine bevorzugte Ausführungsform der elektrisch inerten Isolatormoleküle darstellen. Die Kopf- oder Verankerungsgruppe zum Immobilisieren trägt das Bezugszeichen 203 und die langkettige (isolierende) Alkylkette das Bezugszeichen 204. 2a shows bispyridinium compounds 201 according to formula (I), which are preferably used in the present invention. 2 B to 2d show 2,7-diazaphenanthrene ( 205 ), 2,7-diazapyrenium ( 206 ) and tetrahydrodiazapyrene ( 207 ) as examples of a bispyridiumium backbone in which the substituents R a and R b form a bridge. In 2e is in the formula and schematically a trichloroalkylsilane compound 202 shown, which represent a preferred embodiment of the electrically inert insulator molecules. The head or anchor group for immobilization has the reference symbol 203 and the long chain (isolating) alkyl chain the reference number 204 ,

3 veranschaulicht ein Beispiel des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eine Schaltungselements 300. 3 illustrates an example of the method of manufacturing a circuit element described here 300 ,

3a zeigt den Substratmaterial 301, in dem diskrete Bereiche 302, 303, 304 aus dem ersten elektrisch leitenden Material angeordnet sind. Das Substratmaterial ist ein Isolatormaterial wie Siliziumoxid. Die diskreten Bereiche 302, 303, 304 bestehen aus Gold. 3a shows the substrate material 301 in which discrete areas 302 . 303 . 304 are arranged from the first electrically conductive material. The substrate material is an insulator material such as silicon oxide. The discrete areas 302 . 303 . 304 are made of gold.

Anschließend wird auf den Bereichen 302, 303, 304 eine redoxaktive Bispyridinium-Verbindung 305 immobilisiert (3b, 3c), wobei jeweils auf diesen Bereichen eine monomolekulare Schicht aus den Molekülen der Verbindung 305 gebildet wird. Die Verbindung ist hier N,N-Di-(1.0-mercaptodecyl)-4,4'-bispyridinium-dibromid, das wie in [15] beschrieben synthetisiert werden kann. Die Immobilisierung an den Goldoberflächen der Bereiche 302, 304, 304 erfolgt daher über die Gold-Schwefel-Kopplung (vgl. Detailansicht in 3c). Üblicherweise wird dafür die Bispyridiumverbindung in einem organischen Lösungsmittel wie Hexan oder Ethanol (je nach Löslichkeit) in einer Konzentration von 10 bis 100 mM aufgenommen und in Kontakt mit der Substratoberfläche gebracht. Die Adsorption erfolgt danach normalerweise in einem Zeitraum von 30 Minuten bis ca. 12 Stunden (über Nacht) bei Raumtemperatur. Danach wird die Oberfläche sorgfältig mit Lösungsmittel abgespült. Die so mit den monomolekularen Schichten versehenen Substrate sind in Luft und Lösungsmittel (bei nicht zu hoher Temperatur) gut haltbar. Eine Übersicht über hier verwendbare Immobilisierungsverfahren bietet [21]).Then on the areas 302 . 303 . 304 a redox active bispyridinium compound 305 immobilized ( 3b . 3c ), with a monomolecular layer of the molecules of the compound on each of these areas 305 is formed. The compound here is N, N-di- (1.0-mercaptodecyl) -4,4'-bispyridinium dibromide, which can be synthesized as described in [15]. Immobilization on the gold surfaces of the areas 302 . 304 . 304 therefore takes place via the gold-sulfur coupling (see detailed view in 3c ). For this purpose, the bispyridium compound is usually taken up in an organic solvent such as hexane or ethanol (depending on the solubility) in a concentration of 10 to 100 mM and brought into contact with the substrate surface. The adsorption then usually takes place in a period of 30 minutes to about 12 hours (overnight) at room temperature. Then the surface is rinsed carefully with solvent. The substrates thus provided with the monomolecular layers are stable in air and solvent (if the temperature is not too high). [21]) provides an overview of the immobilization methods that can be used here.

Danach werden elektrisch inerte Moleküle 306 auf der Schicht des Substratmaterials 301 als monomolekulare Schicht immobilisiert (3d). Als Moleküle 306 dienen hierbei Trichloralkylsilane oder Alkoxysilane mit einer Alkylkettenlänge von ca. 10 bis 30, vorzugsweise mit bis zu ca. 20 Kohlenstoffatomen. Die Immobilisierung erfolgt über kovalente Bindungen des Siliziumatoms mit Hydroxylgruppen auf der Oberfläche des als Substratmaterials 301 verwendeten Siliziumdioxids.After that, electrically inert molecules 306 on the layer of substrate material 301 immobilized as a monomolecular layer ( 3d ). As molecules 306 Trichloralkylsilanes or alkoxysilanes with an alkyl chain length of about 10 to 30, preferably with up to about 20 carbon atoms are used here. The immobilization takes place via covalent bonds of the silicon atom with hydroxyl groups on the surface of the substrate material 301 silicon dioxide used.

Im nächsten Schritt erfolgt die Ausbildung der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 307 des Schaltungselements (3e). Dazu wird zunächst eine Schicht 308 aus Titan auf die monomolekularen Schichten der Bispyridinium-Verbindungen 305 und der Isolatormoleküle 306 unter Vakuum aufgedampft. Anschließend wird eine weitere Schicht 309 aus Aluminium unter Vakuum aufgedampft. Im Prinzip sind zum Aufbringen der zweiten elektrischen Schicht alle Verfahren anwendbar, welche eine schonende Abscheidung der Metallschicht ermöglichen.In the next step, the second electrically conductive layer is formed 307 of the circuit element ( 3e ). To do this, first create a layer 308 made of titanium on the monomolecular layers of the bispyridinium compounds 305 and the isolator molecules 306 evaporated under vacuum. Then another layer 309 evaporated from aluminum under vacuum. In principle, all methods can be used to apply the second electrical layer, which enable a gentle deposition of the metal layer.

Auf diese Weise wird ein Schaltungselement mit einer Mehrzahl von molekularen Widerständen ausgebildet, das sich z.B. als Bestandteil einer Speicherzelle einsetzen lässt.In this way, a circuit element formed with a plurality of molecular resistors that are e.g. can be used as part of a memory cell.

4 zeigt einen Ausschnitt aus einem elektrischen Permanentspeicher 400 der vorliegenden Erfindung, der auf einer Vielzahl der hier beschriebenen Schaltungselementen beruht (vgl. 4c). 4 shows a section of an electrical permanent memory 400 of the present invention, which is based on a large number of the circuit elements described here (cf. 4c ).

Der Permanentspeicher 400 weist ein Substrat 401 aus einem Isolatormaterial auf, in dem eine Vielzahl von diskreten Bereichen 402 aus einem ersten leitfähigen Material ausgebildet sind. Das Substrat/Isolatormaterial ist Siliziumdioxid, das erste leitfähige Material ist Gold. Die diskreten Bereiche aus Gold sind mit einem elektrischen Anschluss 403 versehen, d.h. als Elektrode ausgebildet. Auf den Bereichen 402 aus Gold ist jeweils eine monomolekulare Schicht aus redox-aktiven Bispyridinium-Verbindungen 404 immobilisiert. Als Verbindung 404 wird hier N-(n-Decyl)-N'-(10-mercaptododecyl)-4,4'-bispyridinium eingesetzt, das gemäß [12] erhalten wird. Alternativ können auch die in [13] und [14] beschriebenen Verbindungen verwendet werden.The permanent storage 400 has a substrate 401 made of an insulator material in which a variety of discrete areas 402 are formed from a first conductive material. The substrate / insulator material is silicon dioxide, the first conductive material is gold. The discrete areas are made of gold with an electrical connection 403 provided, ie designed as an electrode. In the fields 402 gold is a monomolecular layer of redox-active bispyridinium compounds 404 immobilized. As a connection 404 N- (n-decyl) -N '- (10-mercaptododecyl) -4,4'-bispyridinium is used here, which is obtained according to [12]. Alternatively, the compounds described in [13] and [14] can also be used.

Auf dem Substratmaterial 401 ist eine Schicht aus Alkyltrichlorsilanverbindungen als elektrisch inerte Isolatormoleküle 405 immobilisiert. Vorliegend wird hierzu Octadecyltrichlorsilan, C18H35SiCl3 (kommerziell erhältlich z.B. bei Aldrich), verwendet.On the substrate material 401 is a layer of alkyltrichlorosilane compounds as electrically inert insulator molecules 405 immobilized. In the present case, octadecyltrichlorosilane, C 18 H 35 SiCl 3 (commercially available, for example, from Aldrich) is used for this.

Die beiden Molekülschichten stehen im Kontakt mit einer zweiten Schicht 406 aus elektrisch leitfähigem Material, das auf den Molekülschichten aufgebracht worden ist. Die zweite Schicht 406 weist eine Schicht 407 aus Titan und eine Schicht 408 aus Aluminium. Sie ist ferner mit einem elektrischen Anschluss 409 versehen und somit als Elektrode ausgebildet.The two molecular layers are in contact with a second layer 406 made of electrically conductive material that has been applied to the molecular layers. The second layer 406 has a layer 407 made of titanium and a layer 408 made of aluminium. It is also with an electrical connection 409 provided and thus designed as an electrode.

4a und 4b zeigen den Vorgang der Speicherung von Information durch den Speicher 400. An eine ausgewählte Schicht der redox-aktiven Bispyridinium-Verbindungen 404 wird z.B. über den elektrischen Anschluss 403 (und den als Elektrode ausgebildeten Bereich 402) ein negatives Potential angelegt, das größer als das Reduktionspotential der Bispyridinium-Verbindungen. Dies führt zu einer Spannung (Schreibspannung) an den Elektroden 403, 409 und zu einem Schreibvorgang, dadurch, dass jede Bispyridinium-Einheit ein Elektron über den Bereich 402 aufnimmt und in die Form des einfach positiv geladenen Radikalkations übergeht (vgl. 4a and 4b show the process of storing information through the memory 400 , To a selected layer of the redox-active bispyridinium compounds 404 for example via the electrical connection 403 (and the area designed as an electrode 402 ) applied a negative potential that is greater than the reduction potential of the bispyridinium compounds. This leads to a voltage (write voltage) on the electrodes 403 . 409 and to a write operation in that each bispyridinium unit has one electron over the range 402 absorbs and into the form of the simply positively charged radical cation goes (cf.

1b). 1b ).

Der Löschvorgang, der ebenfalls Teil des Speichern von Information ist, geht folgendermaßen vor sich.The deletion process, which is also part of information storage does the following yourself.

An eine ausgewählte Schicht der redox-aktiven Bispyridinium-Verbindungen 404 wird z.B. wiederum über den elektrischen Anschluss 403 ein positives Potential angelegt, das größer als das Oxidationspotential der Bispyridinium-Verbindungen. Dies ist mit einer Spannung (Löschspannung) an den Elektroden 403, 409 und einem Löschvorgang verbunden, bei dem jede Bispyridinium-Einheit unter Übergang in das zweifach positiv geladene Dikation ein Elektron mittels des Bereichs (der Elektrode) 402 abgibt.To a selected layer of the redox-active bispyridinium compounds 404 is again, for example, via the electrical connection 403 a positive potential that is greater than the oxidation potential of the bispyridinium compounds. This is with a voltage (erase voltage) on the electrodes 403 . 409 and an extinguishing process in which each bispyridinium unit transfers an electron by means of the region (the electrode) while changing into the double positively charged dication. 402 emits.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass bei dem Permanentspeicher 400 sowie auch bei allen anderen Ausgestaltungen, die auf eine Vielzahl separater Schaltungselemente der Erfindung zurückgreifen, jedes Schaltungs- bzw. Speicherelement individuell ansteuerbar/ adressierbar sein kann.In this context, it should be noted that the permanent memory 400 as well as in all other configurations that use a large number of separate circuit elements of the invention, each circuit or memory element can be individually controllable / addressable.

Der Lesevorgang ist in 4c veranschaulicht. Bei diesem Vorgang wird eine sogenannte Lesespannung angelegt, die den Redoxzustand der Bispyridinium-Verbindungen 404, wie er in den einzelnen Speicherelementen momentan vorliegt, nicht beeinflusst. Das heißt, die angelegte Potentialdifferenz bewirkt weder eine Oxidation noch eine Reduktion der Bispyridinium-Moleküle in den einzelnen separaten Speicherelementen. Die Lesespannung führt zu einem Stromfluss durch jedes Speicherelement (durch die Pfeile 410 symbolisiert), dessen Größe durch den jeweiligen Ladungszustand in den Speicherelementen bedingt ist, und der zur weiteren Informationsverarbeitung herangezogen wird.The reading process is in 4c illustrated. In this process, a so-called read voltage is applied, which indicates the redox state of the bispyridinium compounds 404 , as it currently exists in the individual memory elements, is not influenced. This means that the applied potential difference does not cause an oxidation or a reduction of the bispyridinium molecules in the individual separate storage elements. The read voltage leads to a current flow through each storage element (through the arrows 410 symbolized), the size of which is determined by the respective state of charge in the storage elements, and which is used for further information processing.

Im Fall von Molekülschichten, bei denen die Bispyridinium-Moleküle als Dikation vorliegen, wird dabei ein kleiner oder gar kein Strom gemessen. Bei Schichten, bei denen die Bispyridinium-Einheiten der Moleküle als einfach positiv geladenes Radikalkation vorliegen, wird ein (größerer) Stromfluss gemessen.In the case of molecular layers in which the bispyridinium molecules as dication little or no current is measured. For layers in which the bispyridinium units of the molecules are considered simple positively charged radical cation, a (larger) current flow measured.

Der Permanentspeicher 400 stellt somit einen kleinen, skalier- und adressierbaren Speicher dar, dessen konstruktiver Aufbau im Vergleich zu konventionellen Speichern wie DRAMs oder SRAMs wesentlich vereinfacht ist und z.B. eine geringere Verdrahtung benötigt.The permanent storage 400 thus represents a small, scalable and addressable memory, the design of which is considerably simplified compared to conventional memories such as DRAMs or SRAMs and, for example, requires less wiring.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

  • [1] C. P. Collier et al., Electronically configurable molecular-based logic gates, Science, Vol. 285, S. 391– 394, 1999
  • [2] C.P. Collier et al., A [2]Catenane-based solid state electronically reconfigurable switch, Science, Vol. 289, S. 1172–1175, 2000
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101101
Di-Kation der Bispyridinium-EinheitDi-cation the bispyridinium unit
102102
Di-Kation der Bispyridinium-EinheitDi-cation the bispyridinium unit
103103
einfach positiv geladenes Radikalkationsimple positively charged radical cation
104104
einfach positiv geladenes Radikalkationsimple positively charged radical cation
105105
Alkylkettenalkyl chains
106106
x-AchseX axis
107107
kleine positive oder negative Potentialesmall positive or negative potentials
108108
zum Lesen des Speicherelements eingesetzter Bereichto the Read the memory element used area
109109
größeres negatives Potentialbigger negative potential
110110
zum Beschreiben des Speicherelements eingesetzterto the Describe the memory element used
BereichArea
111111
größeres positives Potentialbigger positive potential
112112
zum Löschen des Speicherelements eingesetzter Bereichsto the Clear of the memory element used area
201201
Bispyridinium-VerbindungenBispyridinium connections
202202
TrichloralkylsilanverbindungTrichloralkylsilanverbindung
203203
Kopfgruppehead group
204204
langkettige Alkylkettelong chain alkyl chain
205205
2,7-Diazaphenanthren2,7-diazaphenanthrene
206206
2,7-Diazapyrenium2,7-diazapyrenium
207207
TetrahydrodiazapyrenTetrahydrodiazapyren
300300
Schaltungselementcircuit element
301301
Substratmaterialsubstrate material
302302
Bereich aus GoldArea of gold
303303
Bereich aus GoldArea of gold
304304
Bereich aus GoldArea of gold
305305
Bispyridinium-VerbindungBispyridinium connection
306306
inerte Moleküleinert molecules
307307
zweite elektrisch leitfähige Schichtsecond electrically conductive layer
308308
Schicht aus Titanlayer made of titanium
309309
Schicht aus Aluminiumlayer made of aluminium
400400
Permanentspeicherpermanent memory
401401
Substrat aus Isolatormaterialsubstratum made of insulator material
402402
diskrete Bereiche aus Golddiscreet Gold areas
403403
elektrischer Anschlusselectrical connection
404404
redox-aktiven Bispyridinium-Verbindungenredox-active Bispyridinium connections
405405
Isolatormoleküleinsulator molecules
406406
zweiten Schicht aus elektrisch leitfähigem Materialsecond Layer of electrically conductive material
407407
Schicht aus Titanlayer made of titanium
408408
Schicht aus Aluminiumlayer made of aluminium
409409
elektrischer Anschlusselectrical connection
410410
Pfeilarrow

Claims (21)

Schaltungselement mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch isolierenden Substratmaterial, – mit einem ersten elektrisch leitfähigen Material, das als mindestens ein diskreter Bereich dergestalt ausgebildet ist, dass es in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht ist, – einer zweiten Schicht mit einem zweiten elektrisch leitfähigen Material, und – einer monomolekularen Schicht aus redox-aktiven Bispyridinium-Molekülen, die zwischen der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial und der zweiten Schicht mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material angeordnet ist, wobei die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht auf dem elektrisch leitfähigen als mindestens ein diskreter Bereich ausgebildeten Material immobilisiert sind, und wobei Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht mit dem zweiten elektrischen Material der zweiten Schicht in elektrischen Kontakt stehen, und – bei dem auf der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial elektrisch inerte Moleküle immobilisiert sind, die eine Matrix ausbilden, die den mindestens einen diskreten Bereich mit der monomolekularen Schicht aus Bispyridinium-Molekülen umgibt.Circuit element with a first layer of an electrically insulating substrate material, - with a first electrically conductive material, which is designed as at least one discrete area such that it is embedded in the substrate material and / or is applied to the substrate material, - a second layer with a second electrically conductive material, and - a monomolecular layer of redox-active bispyridinium molecules, which is arranged between the first layer of the electrically insulating substrate material and the second layer with the second electrically conductive material, the bispyridinium molecules of the monomolecular layer the electrically conductive material formed as at least one discrete region are immobilized, and wherein bispyridinium molecules of the monomolecular layer with the second electrical material of the second layer are in electrical contact, and - in which electrically inert molecules are immobilized on the first layer made of the electrically insulating substrate material, which form a matrix which surrounds the at least one discrete region with the monomolecular layer made of bispyridinium molecules. Schaltungselement nach Anspruch 1, bei dem die Bispyridinium-Moleküle Verbindungen der allgemeinen Formel (I) sind,
Figure 00360001
wobei in Formel (I) eines oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden aromatischen Ringssysteme der Bispyridinium-Einheit unabhängig voneinander durch mindestens eine Gruppierung Xa bzw. Xb ersetzt sein kann, die jeweils für ein Heteroatom steht, das aus S, N und O ausgewählt wird, oder die für eine Leerstelle steht, eines oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden Ringssysteme jeweils unabhängig voneinander einen Substituenten Ra bzw. Rb aufweisen kann, der jeweils unabhängig für Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl, Alkinyl, Halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR', CONHR', NO2, OH, 0R', NH2, NHR', NR'R'', SH und SR' steht, wobei R' und R'' unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, oder wobei Ra und Rb zusammen eine Verbrückung zwischen den beiden aromatischen Ringsystemen bilden kann, die 1 bis 3 Atome umfasst, wobei die Atome unabhängig voneinander aus C, S, N und O ausgewählt werden und durch eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung miteinander verknüpft sein können und ferner einen Substituenten Rc aufweisen können, wobei der Substituent Rc die für Ra und Rb oben angegebene Bedeutung hat, Y für eine Gruppe steht, die unabhängig voneinander aus CH2, O, S, NH, NR', COO, CONH, CH=CH, C=C oder Aryl ausgewählt werden kann, Za und Zb unabhängig voneinander jeweils CH3, -CH=CH2, SH, -S-S-, -C(CO)CH3, SiC13, Si(OR)3, SiR(OR')(OR''), SiR(OR')2, Si(R'R'')NH2, COOH, SO3, PO3H, oder NH2 sein kann, wobei R' und R'' jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Arylalkyl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, wobei n, q jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können, j und k jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 6 annehmen können, p und m jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können.
Circuit element according to Claim 1, in which the bispyridinium molecules are compounds of the general formula (I),
Figure 00360001
in formula (I) one or more of the carbon atoms of the two aromatic ring systems of the bispyridinium unit can be replaced independently of one another by at least one group X a or X b , each of which represents a heteroatom selected from S, N and O. is, or stands for a blank, one or more of the carbon atoms of the two ring systems can each independently have a substituent R a or R b , each independently for alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl, alkynyl, halogen, CN, OCN , NCO, COOH, COOR ', CONHR', NO 2 , OH, 0R ', NH 2 , NHR', NR'R '', SH and SR ', where R' and R '' independently of one another are alkyl, aryl, Can be alkylaryl, alkenyl or alkynyl, or where R a and R b together can form a bridge between the two aromatic ring systems, which comprises 1 to 3 atoms, the atoms being selected independently of one another from C, S, N and O and by a single, double or triple bin dung may be linked to one another and may furthermore have a substituent R c , where the substituent R c has the meaning given above for R a and R b , Y stands for a group which, independently of one another, consists of CH 2 , O, S, NH, NR ', COO, CONH, CH = CH, C = C or aryl can be selected, Z a and Z b independently of one another each CH 3 , -CH = CH 2 , SH, -SS-, -C (CO) CH 3 , SiC1 3 , Si (OR) 3 , SiR (OR ') (OR''), SiR (OR') 2 , Si (R'R '') NH 2 , COOH, SO 3 , PO 3 H, or NH 2 can be, where R 'and R''can each independently be alkyl, aryl, arylalkyl, alkenyl or alkynyl, where n, q can each independently take on a value between 0 and 12, j and k each independently of one another can assume between 0 and 6, p and m can each independently assume a value between 0 and 12.
Schaltungselement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elektrisch inerten Moleküle Verbindungen mit einem langkettigen Alkylrest sind.Circuit element according to claim 1 or 2, wherein the electrical inert molecules Are compounds with a long chain alkyl radical. Schaltungselement nach Anspruch 3, bei dem die inerte Moleküle eine Kopfgruppe aufweisen, mittels derer sie kovalent an die erste Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial gebunden sind.The circuit element of claim 3, wherein the inert molecules are one Have head group, by means of which they covalently to the first layer are bound from the electrically insulating substrate material. Schaltungselement nach Anspruch 4, bei dem die inerten Moleküle Alkylsilylverbindungen der allgemeinen Formel CH3-(CH2)p-SiR1R2R3 (II) sind, wobei in Formel (II) p für eine ganze Zahl zwischen 1 und 30, vorzugsweise 1 und 20 steht, und wobei R1, R2 und R3 unabhängig voneinander Wasserstoff, Halogen, OR', NHR', NR'R'' sein kann, wobei R' und R'' gleich Alkyl ist.Circuit element according to Claim 4, in which the inert molecules are alkylsilyl compounds of the general formula CH 3 - (CH 2 ) p -SiR 1 R 2 R 3 (II) where in formula (II) p is an integer between 1 and 30, preferably 1 and 20, and where R 1 , R 2 and R 3 are independently hydrogen, halogen, OR ', NHR', NR'R ''can be, where R' and R '' is alkyl. Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl diskreter Bereiche aus dem ersten elektrisch leitenden Material in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht ist.Circuit element according to one of the preceding claims, which a plurality of discrete areas from the first electrically conductive Material embedded in the substrate material and / or on the substrate material is applied. Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste elektrisch leitfähige Material Gold, Silber Palladium, Platin oder Silizium ist.Circuit element according to one of the preceding claims, which is the first electrically conductive material Gold, silver is palladium, platinum or silicon. Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material Titan und/oder Aluminium aufweist.Circuit element according to one of the preceding claims, wherein the layer of the second has electrically conductive material titanium and / or aluminum. Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste elektrisch leitende Material und das zweite elektrisch leitende Material als Elektroden ausgestaltet sind.Circuit element according to one of the preceding claims, which the first electrically conductive material and the second electrically conductive material are designed as electrodes. Schaltungselement nach Anspruch 9, das ein Speicherelement ist.Circuit element according to claim 9, which is a memory element. Schaltungselement nach Anspruch 10, das ein Permanentspeicher ist.Circuit element according to claim 10, which is a permanent memory is. Verfahren zur Herstellung eines Schaltungselements, bei dem – eine Schicht aus einem isolierenden Substratmaterial vorgelegt wird, – ein erstes elektrisch leitfähigen Material an mindestens einer diskreten Position in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht wird, – redoxaktive Bispyridinium-Moleküle als monomolekulare Schicht auf dem mindestens einen diskreten Bereich aus dem ersten elektrisch leitfähigen Material immobilisiert werden, – elektrisch inerte Moleküle auf der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial immobilisiert werden, wodurch die elektrisch inerten Moleküle eine Matrix ausbilden, die den mindestens einen Bereich mit der monomolekularen Schicht aus Bispyridinium-Molekülen umgibt, – eine zweite Schicht mit einem zweiten elektrisch leitfähigen Material auf die Schicht aus den elektrisch inerten Molekülen und den Bispyridinium-Molekülen aufgebracht wird, wodurch die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht mit dem zweiten elektrischen Material der zweiten Schicht in Kontakt treten.Method for producing a circuit element, in which - a layer is made of an insulating substrate material, - a first electrically conductive Material in at least one discrete position in the substrate material is embedded and / or applied to the substrate material, - redox active Bispyridinium molecules as a monomolecular layer on the at least one discrete area from the first electrically conductive Material to be immobilized - Electrically inert molecules on the first layer of the electrically insulating substrate material be immobilized, which makes the electrically inert molecules a Form matrix, which has the at least one area with the monomolecular Layer of bispyridinium molecules surrounds, - one second layer with a second electrically conductive material applied to the layer of the electrically inert molecules and the bispyridinium molecules is what causes the bispyridinium molecules of the monomolecular layer in contact with the second electrical material of the second layer to step. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem als Bispyridinium-Moleküle Verbindungen der allgemeinen Formel (I) verwendet werden.A method according to claim 12, in which as bispyridinium molecules compounds of the general formula (I) can be used. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem als elektrisch inerten Moleküle Verbindungen mit einem langkettigen Alkylrest verwendet werden.A method according to claim 12 or 13, in which as electrically inert molecules Compounds with a long chain alkyl radical can be used. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem als erstes leitfähiges Material Gold verwendet wird.Method according to one of claims 12 to 14, in which as first conductive Material gold is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das erste elektrische leitfähige Material in einer regelmäßigen Anordnung in das Substratmaterial eingebettet und/oder aufgebracht wird.Method according to one of claims 12 to 15, wherein the first electrically conductive Material in a regular arrangement is embedded and / or applied in the substrate material. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem das zweite elektrische Material auf die Schicht aus den elektrisch inerten Molekülen und den Bispyridinium-Molekülen aufgedampft wird.Method according to one of claims 12 to 16, wherein the second electrical material on the layer of the electrically inert molecules and evaporated the bispyridinium molecules becomes. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem als das zweite elektrisch leitende Material Titan und/oder Aluminium verwendet wird.The method of claim 17, wherein the second is electrical conductive material titanium and / or aluminum is used. Bispyridinium-Verbindungen der allgemeinen Formel (Ib)
Figure 00400001
wobei in Formel (Ib) eines oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden aromatischen Ringssysteme der Bispyridinium-Einheit unabhängig voneinander durch mindestens eine Gruppierung Xa bzw. Xb ersetzt sein kann, die jeweils für ein Heteroatom steht, das aus S, N und O ausgewählt wird, oder für eine Leerstelle steht eines oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden Ringssysteme jeweils unabhängig voneinander einen Substituenten Ra bzw. Rb aufweist, der jeweils unabhängig für Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl, Alkenyl, Halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR', CONHR', NO2, OH, OR', NH2, NHR', NR'R'', SH und SR' steht, wobei R' und R'' unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, oder wobei Ra und Rb zusammen eine Verbrückung zwischen den beiden aromatischen Ringsystemen bildet, die 1 bis 3 Atome umfasst, wobei die Atome unabhängig voneinander aus C, S, N und O ausgewählt werden und durch eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung miteinander verknüpft sein können und ferner einen Substituenten Re aufweisen können, wobei der Substituent Rc die für Ra und Rb oben angegebene Bedeutung hat, Y für eine Gruppe steht, die unabhängig voneinander aus CH2, O, S, NH, NR', COO, CONH, CH=CH, C=C oder Aryl ausgewählt werden kann, Za und Zb unabhängig voneinander jeweils CH3, -CH=CH2, SH, -S-S-, SiCl3, Si(OR)3, SiR(OR')(OR''), SiR(OR')2, Si(R'R'')NH2, Si(R2')NH2, COOH, SO3, PO3H, oder NH2 sein kann, wobei R' und R'' jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Aryl, Arylalkyl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, wobei n, q jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können, j und k jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 6 annehmen können, p und m jeweils unabhängig voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können, wobei die folgenden Verbindungen ausgenommen sind: N,N'-Dimethyl-4,5,9,10-Tetrahydro-2,7-diazapyreniumdiiodid; 1,1',2,2'-tetramethyl-4,4'-bispyridinium; 1,1',2,-trimethyl-4,4'-bispyridinium; N,N'-Dimethyl-2,7-diazapyrenium; N-methyl-N'-(p-toloyl)-2,7-diazapyrenium, 1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6-(p-toloyl)-4,4'-bispyridiumdiperchlorat; 1,1'-Dimethyl-2-phenyl-4,4'-bispyridiumdiperchlorat; 6-(Phenyl)-1,1',2-trimethyl-4,4'-bispyridiumdi-perchlorat; 1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6-(2,5-dichloro-3-thienyl)-4,4'-bispyridiumdiperchlorat;
Bispyridinium compounds of the general formula (Ib)
Figure 00400001
wherein in formula (Ib) one or more of the carbon atoms of the two aromatic ring systems of the bispyridinium unit can be replaced independently of one another by at least one group X a or X b , each of which represents a heteroatom selected from S, N and O. or a vacancy is one or more of the carbon atoms of the two ring systems each independently of one another has a substituent R a or R b which each independently represents alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl, alkenyl, halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR ', CONHR', NO 2 , OH, OR ', NH 2 , NHR', NR'R '', SH and SR ', where R' and R '' are independently alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl or can be alkynyl, or where R a and R b together form a bridge between the two aromatic ring systems, which comprises 1 to 3 atoms, the atoms being selected independently of one another from C, S, N and O and by a simple, Double or triple bond with each other r can be linked and also a sub may have substituents R e , where the substituent R c has the meaning given for R a and R b above, Y stands for a group which independently of one another from CH 2 , O, S, NH, NR ', COO, CONH, CH = CH, C = C or aryl can be selected, Z a and Z b independently of one another each CH 3 , -CH = CH 2 , SH, -SS-, SiCl 3 , Si (OR) 3 , SiR (OR ') ( OR ''), SiR (OR ') 2 , Si (R'R'') NH 2 , Si (R 2 ') NH 2 , COOH, SO 3 , PO 3 H, or NH 2 , where R ' and R ″ can each independently be alkyl, aryl, arylalkyl, alkenyl or alkynyl, where n, q can each independently take a value between 0 and 12, j and k can each independently take a value between 0 and 6, p and m can each independently take a value between 0 and 12, with the exception of the following compounds: N, N'-dimethyl-4,5,9,10-tetrahydro-2,7-diazapyrenium diiodide; 1,1 ', 2,2'-tetramethyl-4,4'-bispyridinium; 1,1 ', 2-trimethyl-4,4'-bispyridinium; N, N'-dimethyl-2,7-diazapyrenium; N-methyl-N '- (p-toloyl) -2,7-diazapyrenium, 1,1'-dimethyl-2-phenyl-6- (p-toloyl) -4,4'-bispyridium diperchlorate; 1,1'-dimethyl-2-phenyl-4,4'-bispyridiumdiperchlorat; 6- (phenyl) -1,1 ', 2-trimethyl-4,4'-bispyridiumdi perchlorate; 1,1'-dimethyl-2-phenyl-6- (2,5-dichloro-3-thienyl) -4,4'-bispyridiumdiperchlorat;
Verwendung von Bispyridinium-Verbindungen der allgemeinen Formel (I) oder (Ib) als funktionelle Einheit in Speichereinheiten.Use of bispyridinium compounds of the general formula (I) or (Ib) as a functional unit in storage units. Verwendung von elektrisch inerten Moleküle mit einem langkettigen Alkylrest in Schaltungselementen.Use of electrically inert molecules with a long chain alkyl radical in circuit elements.
DE2002127850 2002-06-21 2002-06-21 Circuit element, useful as memory, comprises a monomolecular layer of redox-active bis-pyridinium molecules situated between conductive layers Ceased DE10227850A1 (en)

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DE2002127850 DE10227850A1 (en) 2002-06-21 2002-06-21 Circuit element, useful as memory, comprises a monomolecular layer of redox-active bis-pyridinium molecules situated between conductive layers
US10/600,750 US6998637B2 (en) 2002-06-21 2003-06-19 Circuit element having a first layer composed of an electrically insulating substrate material, a method for producing a circuit element, bispyridinium compounds and their use in circuit elements

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